?? 三)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的概率可靠度設(shè)計(jì)方法
??? 自1984年國(guó)家建委和國(guó)家建設(shè)部頒布了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)以來(lái),我國(guó)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范已從80年代末期起拋棄了傳統(tǒng)的多安全系數(shù)設(shè)計(jì)方法,從而統(tǒng)一采用以概率理論為基礎(chǔ)的可靠度設(shè)計(jì)方法;其它的工程部門如公路、鐵路、港口、水利的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范也正在或計(jì)劃作這樣的轉(zhuǎn)變。我國(guó)規(guī)范的可靠度設(shè)計(jì)方法是參考國(guó)際上的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)ISO2394并經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)科技人員努力后得以實(shí)施的。將可靠度設(shè)計(jì)方法用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范,在國(guó)際學(xué)術(shù)界內(nèi)通常被看成是一種發(fā)展趨勢(shì),但在工程內(nèi)界則存在不同看法。盡管有了ISO2394,國(guó)外卻鮮有重要或著名的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范已直接采用了可靠度設(shè)計(jì)方法,至今仍采用多安全系數(shù)設(shè)計(jì)方法或稱荷載抗力系數(shù)法。在我國(guó),對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的可靠度設(shè)計(jì)方法以及企圖將我國(guó)各個(gè)行業(yè)的各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范都用可靠度方法統(tǒng)一起來(lái)的做法,雖然工程設(shè)計(jì)界頗有微詞,但學(xué)術(shù)界持贊成和肯定者是主流,不過(guò)仍不時(shí)有人對(duì)可靠度方法用于設(shè)計(jì)規(guī)范的適用性提出質(zhì)疑。這次科技論壇上則較為集中地反映了對(duì)規(guī)范可靠度方法的意見分歧。
??? 對(duì)我國(guó)規(guī)范的可靠度設(shè)計(jì)方法持肯定意見的專家認(rèn)為這是重大的科技進(jìn)步,可靠度方法對(duì)安全度的概率定義要比定值的安全系數(shù)更清晰、更科學(xué)、更合理,當(dāng)然概率可靠度設(shè)計(jì)方法本身尚有不少缺陷,有待進(jìn)一步修改完善。持相反意見的人則認(rèn)為,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范所面向的是類型多樣的復(fù)雜群體,在安全度上需要考慮的不確定性與不確知性非常復(fù)雜,并不是“從統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)的概率定義”所能科學(xué)描述或處理;規(guī)范可靠度方法在我國(guó)十多年的實(shí)踐表明,它并沒有給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性帶來(lái)明顯實(shí)效,反而造成了安全概念上的某些混亂;對(duì)工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō),結(jié)構(gòu)的安全度用可靠指標(biāo)和虛假的失效概率表達(dá)后變得更加不可揣摩和模糊不清,不如安全系數(shù)那樣從安全儲(chǔ)備出發(fā)的度量方法更為直觀和便于處理具體工程的安全問(wèn)題;現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中的可靠度方法很不成熟,存在不少根本缺陷;他們認(rèn)為半概率的多安全系數(shù)方法更適用于規(guī)范,也不排斥可靠度分析的結(jié)果可以作為一種參考,在綜合判斷安全系數(shù)的合理取值時(shí)予以考慮。
??? 二.土建結(jié)構(gòu)工程的耐久性
??? 土建結(jié)構(gòu)工程的耐久性與工程的使用壽命相聯(lián)系,是使用期內(nèi)結(jié)構(gòu)保持正常功能的能力,這一正常功能包括結(jié)構(gòu)的安全性和結(jié)構(gòu)的適用性,而且更多地體現(xiàn)在適用性上。
??? 一)土建結(jié)構(gòu)工程的耐久性現(xiàn)狀
??? 大多數(shù)土建結(jié)構(gòu)由混凝土建造?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性是當(dāng)前困擾土建基礎(chǔ)設(shè)施工程的世界性問(wèn)題,并非我國(guó)所特有,但是至今尚未引起我國(guó)政府主管部門和廣大設(shè)計(jì)與施工部門的足夠重視。
??? 長(zhǎng)期以來(lái),人們一直以為混凝土應(yīng)是非常耐久的材料。直到70年代末期,發(fā)達(dá)國(guó)家才逐漸發(fā)現(xiàn)原先建成的基礎(chǔ)設(shè)施工程在一些環(huán)境下出現(xiàn)過(guò)早損壞。美國(guó)許多城市的混凝土基礎(chǔ)設(shè)施工程和港口工程建成后不到二、三十年甚至在更短的時(shí)期內(nèi)就出現(xiàn)劣化;據(jù)1998年美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)的一份材料估計(jì),他們需要有1.3萬(wàn)億美元來(lái)處理美國(guó)國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施工程存在的問(wèn)題,僅修理與更換公路橋梁的混凝土橋面板一項(xiàng)就需800億美無(wú),而現(xiàn)在聯(lián)邦政府每年為此的撥款只有50~60億美元。另有資料指出,美國(guó)因除冰鹽引起鋼筋銹蝕需限載通行的公路橋梁已占這一環(huán)境下橋梁的1/4。發(fā)達(dá)國(guó)家為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性投入了大量科研經(jīng)費(fèi)并積極采取應(yīng)對(duì)措施,如加拿大安大略省的公路橋梁為對(duì)付除冰鹽侵蝕及凍融損害,鋼筋的混凝土保護(hù)層最小厚度從50年代的2.5cm逐漸增加到4cm、6cm直到80年代后的7cm,而混凝土強(qiáng)度的最低等級(jí)也從50年代的C25增到后來(lái)的C40,橋面板混凝土從不要求外加引氣劑、不設(shè)防水層到必須引氣以及需要設(shè)置高級(jí)防水膠膜并引入環(huán)氧涂膜鋼筋。而我國(guó)遭受鹽凍侵蝕地區(qū)的公路橋梁在耐久性設(shè)計(jì)方面至今仍無(wú)明確要求,對(duì)混凝土保護(hù)層和強(qiáng)度的要求僅為2.5cm與C25,與上面提到的加拿大50年代水準(zhǔn)一致。國(guó)內(nèi)按這種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)一座大橋,建成后僅8年,由于鹽凍侵蝕,現(xiàn)已不得不部分拆除重建。
??? 我國(guó)建設(shè)部于80年代的一項(xiàng)調(diào)查表明,國(guó)內(nèi)大多數(shù)工業(yè)建筑物在使用25~30年后即需大修,處于嚴(yán)酷環(huán)境下的建筑物使用壽命僅15~20年。民用建筑和公共建筑的使用環(huán)境相對(duì)較好,一般可維持50年以上,但室外的陽(yáng)臺(tái)、雨罩等露天構(gòu)件的使用壽命通常僅有30~40年。橋梁、港工等基礎(chǔ)設(shè)施工程的耐久性問(wèn)題更為嚴(yán)重,由于鋼筋的混凝土保護(hù)層過(guò)薄且密實(shí)性差,許多工程建成后幾年就出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土開裂。海港碼頭一般使用十年左右就因混凝土順筋開裂和剝落,需要大修。京津地區(qū)的城市立交橋由于冬天灑除冰鹽及冰凍作用,使用十幾年后就出現(xiàn)問(wèn)題,有的不得不限載、大修或拆除。鹽凍也對(duì)混凝土路面造成傷害,東北地區(qū)一條高等級(jí)公路只經(jīng)過(guò)一個(gè)冬天就大面積剝蝕。我國(guó)鐵路隧道用低強(qiáng)度的C15混凝土作襯砌材料,密實(shí)度和抗?jié)B性差,不耐地下水與機(jī)車廢氣侵蝕,開裂與滲漏嚴(yán)重;對(duì)幾個(gè)路局所轄的隧道進(jìn)行抽樣調(diào)查表明,漏水的占50.4%,其中1/3滲漏嚴(yán)重,并導(dǎo)致鋼軌等配件銹蝕以及電力牽引地段漏電,影響正常運(yùn)行,而1999年頒布的鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范仍未能對(duì)隧道的耐久性問(wèn)題采取適當(dāng)?shù)膶?duì)策,如適當(dāng)提高混凝土的最低強(qiáng)度等級(jí)和在混凝土中摻入化學(xué)纖維等。
??? 耐久性問(wèn)題的嚴(yán)重性和迫切性在于我們?cè)S多正在建設(shè)的工程仍未吸取國(guó)際和國(guó)內(nèi)的大量慘痛教訓(xùn),還沿著老路重蹈覆轍。一些北方城市新建成的立交橋和高速公路橋,仍沒有在材料性能和結(jié)構(gòu)構(gòu)造等方面采取必要的防治凍融和鹽害的綜合措施。甚至大型工程如2000年投入運(yùn)行的珠海蓮花跨海大橋,其主體結(jié)構(gòu)在浪濺區(qū)仍采用不耐海水干濕交替侵蝕的C30混凝土與3~4cm厚的保護(hù)層厚度。
??? 有專家估計(jì),我國(guó)“大干”基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)的高潮還可延續(xù)20年,由于忽視耐久性,迎接我們的還會(huì)有“大修”20年的高潮,這個(gè)高潮可能不用很久就將到來(lái),其耗費(fèi)將倍增于當(dāng)初這些工程施工建設(shè)時(shí)的投資。
??? 使混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題進(jìn)一步加劇的原因有:
??? 1) 由于混凝土的質(zhì)量檢驗(yàn)習(xí)慣上以單一的強(qiáng)度指標(biāo)作為衡量標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致水泥工業(yè)對(duì)水泥強(qiáng)度的不適當(dāng)追求,使水泥細(xì)度增加,早強(qiáng)的礦物成份比例提高,這些都不利于混凝土的耐久性。我國(guó)對(duì)水泥質(zhì)量的檢驗(yàn)在強(qiáng)度上只要求不低于規(guī)定的最低許可值,而國(guó)外則同時(shí)還要求不高于規(guī)定的最高值,如果強(qiáng)度超過(guò)了也被認(rèn)為不合格,這種要求還有利于水泥產(chǎn)品質(zhì)量的均勻性。
??? 2) 工程施工單位不適當(dāng)?shù)丶涌焓┕みM(jìn)度,尤其是政府行政領(lǐng)導(dǎo)對(duì)工程進(jìn)度的不適當(dāng)干預(yù)?；炷恋哪途眯再|(zhì)量尤其需要有足夠的施工養(yǎng)護(hù)期加以保證,早產(chǎn)有損生命健康的概念同樣適用于混凝土。國(guó)內(nèi)媒體上大加宣傳的所謂幾個(gè)月就修成一條大路、建成一座大橋、或蓋成一幢高樓的工程以及搶工獻(xiàn)禮工程,很可能就是今后注定要花掉更多資金進(jìn)行大修的短命工程。提前完成合同規(guī)定施工期的在國(guó)外要被罰款,因?yàn)橐馕吨こ藤|(zhì)量有遭到損害的可能。
??? 3) 環(huán)境的不斷惡化,如廢氣、酸雨,我國(guó)的酸雨面積已超過(guò)國(guó)土的30% 。
??? 當(dāng)前迫切需要進(jìn)行的工作是盡快編制橋梁、隧道、港工等基礎(chǔ)設(shè)施工程耐久性設(shè)計(jì)的技術(shù)條例,修訂補(bǔ)充現(xiàn)行規(guī)范中對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的要求。首先需要明確的是各種基礎(chǔ)設(shè)施工程的設(shè)計(jì)工作壽命,在重要工程的設(shè)計(jì)文件中必須有使用壽命的要求和論證。當(dāng)前在建的眾多工程在耐久性上之所以仍然沿著重蹈覆轍的道路走,很重要的一個(gè)原因是工程設(shè)計(jì)施工技術(shù)人員在耐久性上沒有可資遵循的新依據(jù)。更為嚴(yán)重的是現(xiàn)行規(guī)范中的有些條文,本身就對(duì)耐久性有害。為了提高混凝土耐久性,在混凝土中合理使用粉煤灰、礦渣等礦物摻合料是重要的技術(shù)手段,國(guó)外有的規(guī)范甚至規(guī)定在橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)中必須加入粉煤灰等摻合料,而我國(guó)的鐵路混凝土橋隧施工規(guī)范仍在明文禁止使用。此外,工程技術(shù)界還存在長(zhǎng)期形成的一些過(guò)時(shí)的看法,對(duì)改善混凝土的耐久性能造成阻力。例如,顧慮會(huì)影響混凝土強(qiáng)度而不愿使用引氣劑,而引氣本應(yīng)作為改善混凝土耐久性和工作性的常規(guī)手段;又如,希望加大水泥用量來(lái)保證混凝土強(qiáng)度,而盡可能低的水泥用量本應(yīng)是提高混凝土抗裂和耐久性能的重要途徑。
??? 在修訂規(guī)范的耐久性要求上,交通部于2001年頒布的港工混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范已為其它土建工程行業(yè)起到較好的示范作用。我們一方面要參照國(guó)內(nèi)外已有的資料和經(jīng)驗(yàn),盡快編寫出相應(yīng)的設(shè)計(jì)施工技術(shù)文件以應(yīng)急需,另一方面則要安排系統(tǒng)的研究項(xiàng)目,加大耐久性研究工作的支持力度;混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是當(dāng)前國(guó)際上結(jié)構(gòu)工程學(xué)科最為重要的前沿研究領(lǐng)域之一,而我國(guó)在這一方面相當(dāng)落后?；炷恋哪途眯匝芯侩x不開原材料和環(huán)境等特定條件,需要考慮本國(guó)的特點(diǎn),是不能完全依賴國(guó)外研究成果的。
??? 重視混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性也是可持續(xù)發(fā)展的需要。生產(chǎn)混凝土所需的水泥、砂、石等原材料均需大量消耗國(guó)土資源并破壞植被與河床,水泥生產(chǎn)排放的二氧化碳已占人類活動(dòng)排放總量的1/5~1/6,而我國(guó)排放的二氧化碳量已居世界第二。我國(guó)現(xiàn)在每年生產(chǎn)5億多噸水泥,與之相伴的是年耗20多億方的砂石,長(zhǎng)此以往實(shí)難以為繼。延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命意味著節(jié)約材料,而耐久的混凝土一般又應(yīng)是水泥用量較低和礦物摻合料(工業(yè)廢料)用量較高的混凝土,所以耐久的混凝土正適應(yīng)環(huán)境保護(hù)的需要。國(guó)際上對(duì)橋梁、隧道等土木工程的設(shè)計(jì)工作壽命多為100年,有的如英國(guó)為120年?？紤]到耐久性不足所造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi),國(guó)際上近年來(lái)有要求將這些工程的最低工作壽命進(jìn)一步延長(zhǎng)的趨勢(shì),如提出城市環(huán)境中的橋梁至少應(yīng)有150年。
??? 二)土建結(jié)構(gòu)工程使用階段的正常檢測(cè)與維護(hù)
??? 結(jié)構(gòu)耐久性和使用壽命的概念,與使用階段的檢測(cè)、維護(hù)和修理不能分割,對(duì)處于露天和惡劣環(huán)境下的基礎(chǔ)設(shè)施工程來(lái)說(shuō)尤其如此。為了保證結(jié)構(gòu)安全性和耐久性,一些工程在建成后的使用過(guò)程中,應(yīng)該進(jìn)行定期檢測(cè)和維護(hù)。我國(guó)有結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)規(guī)范與施工規(guī)范,但沒有如何使用的規(guī)范。有些工程倒塌事故,例如最近四川宜賓的南門大橋發(fā)生橋面坍落事故,就是因?yàn)闃蛎娼Y(jié)構(gòu)與主拱之間的吊桿在連接處發(fā)生銹蝕,如果有定期的檢測(cè)要求,這樣的事故很有可能避免。有些國(guó)家對(duì)于結(jié)構(gòu)的損壞可能導(dǎo)致公眾安全的建筑物與橋、隧等公共工程,強(qiáng)制規(guī)定必須定期檢測(cè);即使是建筑物的玻璃幕墻和外墻面磚等建筑部件,因其墜落后容易傷及公眾,也有強(qiáng)制定期檢測(cè)的要求。我國(guó)由于施工管理水平和事故操作人員的素質(zhì)相對(duì)較差,質(zhì)量控制與質(zhì)量保證制度不夠健全,規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)安全與耐久性的設(shè)置水準(zhǔn)又相對(duì)較低,已建的工程中往往存在較多隱患,所以更有必要從法制上確定土建工程的正常使用和定期檢測(cè)的要求。對(duì)于土建結(jié)構(gòu)工程的安全質(zhì)量,雖然政府已作出了設(shè)計(jì)與施工的責(zé)任單位和個(gè)人需對(duì)其“終身負(fù)責(zé)”的規(guī)定,但是這種要求執(zhí)行起來(lái)缺乏可操作性。要將結(jié)構(gòu)安全質(zhì)量事故減少到最低程度,還應(yīng)以預(yù)防為主,通過(guò)例行檢測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。